3.1　概述

精餾過程是利用各組分揮發度的差異，借助于“回流”技術，使混合液多次連續進行部分汽化和部分冷凝的過程。實現精餾操作的主體設備是精餾塔。

精餾塔是石油工業、化學工業等生產領域當中最重要的設備之一。它可使兩相流體之間進行充分的接觸，達到相際間傳質和傳熱的目的。精餾塔性能的好壞，關乎整個裝置系統的產品質量、產量和單位產品能耗指標。塔設備在煉油裝置中的投資費用占整個工藝設備投資費用的一半左右，在化工行業中占25％左右。因此，塔設備的設計和研究，受到煉油、化工及輕化工等行業的高度重視。

隨著石油工業、化學工業及其他工業的發展，眾多研究者研制出了許多結構新穎的塔設備內件。為了便于研究和比較，人們也從不同的角度對塔設備進行分類。例如，按操作壓力分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、干燥塔、反應塔和萃取塔等。但是最常用的分類方式是按塔設備的內部結構分為板式塔和填料塔兩大類。精餾操作既可以采用板式塔，也可以采用填料塔。在塔設備內部，氣相靠壓差作用自下而上流動，而液相則靠自身的重力作用自上而下流動，汽液兩相做逆流流動。兩相之間進行充分接觸，其接觸界面由塔內塔板或填料提供。前者稱為板式塔，后者稱為填料塔。

早在1813年Cellier首次提出泡罩塔結構至今，板式塔已廣泛應用于工業生產，是使用量最大、應用范圍最廣的汽液傳質設備。板式塔為逐級接觸式的汽液傳質設備，兩相的組分濃度沿塔高呈階梯式變化。

板式塔結構形式多種多樣，依據塔板上汽液兩相接觸元件的不同，可分為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔等結構形式。隨著煉油工業、化學工業的迅速發展，相繼出現了大批結構新穎的高效新型塔板，如浮動噴射塔板、穿流式波紋塔板和新型垂直篩板等。表3-1給出了各種板式塔型所占比例。

3.1.1　泡罩塔

泡罩塔是工業上最早使用的板式塔，自Cellier提出泡罩塔板結構以來，它在工業上的應用已有近兩百年的歷史。近數十年來由于塔設備的更新發展，不少新型的塔板結構取代了泡罩塔，但在許多場合仍然使用。泡罩塔盤的主要結構包括泡罩、升氣管、溢流管和降液管。泡罩塔盤結構如圖3-2所示。

泡罩安裝在升氣管的頂部。泡罩的種類很多，目前應用最為廣泛的是圓形泡罩，常用的泡罩已經標準化。泡罩尺寸有Φ80mm、Φ100mm、Φ150mm三種，可根據塔徑的大小選擇。泡罩的下部周邊開有許多齒縫，齒縫一般有三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上呈正三角形排列。

在泡罩塔的操作過程中，塔盤上的汽液接觸狀況是液體由上層塔盤通過降液管流入下層塔盤，然后橫向流過塔盤上布置泡罩的區域，溢流堰保持板上有一定厚度的液層，上升氣體通過齒縫進入液層時，與塔板上的液層進行汽液接觸形成鼓泡層和泡沫層，從而達到汽液相傳質、傳熱的目的。升氣管的頂部應略高于泡罩齒縫的上沿，以阻止液體從升氣管流下。

泡罩塔的優點是操作彈性大，在負荷變化范圍較大時仍能保持較高的分離效率，無泄漏，不易堵塞，能適應多種介質，液氣比的范圍大。其缺點是塔板結構復雜，造價高，維修麻煩，壓降大。

3.1.2　篩板塔

篩板塔也是很早出現的一種板式塔，其塔盤結構如圖3-3所示。

20世紀50年代以前，工業上采用的板式塔大多數是泡罩塔，篩板塔則被認為操作范圍過于狹窄，長期不受重視。隨著石油化學工業的發展，生產規模逐漸擴大，泡罩塔在結構、成本方面的缺陷成為一個突出問題。此后，研究人員對篩板塔做了大量工業規模的研究，逐漸掌握了篩板塔的性能，并形成了較完善的設計方法。與泡罩塔相比，篩板塔結構相對簡單，投資成本較低，生產能力提高20％左右，并且只要設計合理，篩板塔可以得到不低于泡罩塔的操作范圍。

篩板上開有許多均勻分布的小孔，孔徑一般為3～8mm，篩孔在塔板上呈正三角形分布。國內外眾多研究機構均研究過大孔徑篩板，有用19mm、25mm，甚至有用50mm孔徑的篩板，這種篩板能防止篩孔的堵塞，能適應更廣泛的物系，還可以考慮使用非金屬制造篩板。

與泡罩塔的操作類似，液體從上一層塔板經降液管流下，橫向流過塔板，然后流入下一層塔板；氣體經篩孔分散成小股氣流，自下而上鼓泡通過塔板上的液層，汽液兩相間進行密切接觸，從而進行傳質和傳熱。正常操作狀態下，經過篩孔上升的氣流應能阻止液體經篩孔向下泄漏。

溢流堰能夠使篩板上維持一定厚度的液層。近幾十年來，為了更好地發揮篩板塔結構簡單的優點，有人對無溢流篩板進行了研究，取得了可觀的成果。只是由于沒有溢流，設計自由度小，要求設計方法更加可靠。為了消除普通篩板的氣體死區，有人研制了林德篩板，這種篩板在塔板上開有蒸汽導向孔，并在液流入口處使塔板翹起，制造有利于鼓泡的條件，該類型塔板特別適用于真空精餾。為了克服普通篩板因液流路徑較長，泡沫層較高的缺點，有人提出了多降液管篩板，以適應高液體負荷的操作狀況。該類型的塔板在同一個篩板上布置幾個降液管，縮短了液流路徑，增大了液體處理量，增加了塔板的有效面積。

近年來，隨著計算機及數值計算的發展，計算流體力學為研究塔板上的兩相流體傳質與傳熱微觀機理及流場分布情況虛擬可視化提供了有力的工具，從而避免了大量的塔板流場實際測量工作。

3.1.3　浮閥塔

浮閥塔是在泡罩塔和篩板塔的基礎上發展起來的，它吸收了兩種塔板的優點。浮閥塔板是在塔盤上開許多閥孔，每個閥孔安置一個能上、下浮動的閥件。閥腿與定距片限制了閥件所能上升與下降的空間距離。由于浮閥塔板的氣體流通面積能隨氣體負荷變動自動調節，因而操作負荷范圍較大，具有良好的操作彈性和較高的塔板效率。

與泡罩塔的操作類似，通過閥孔上升的氣體，流經閥片與塔板間隙沿水平方向進入液層，這種接觸方式汽液接觸時間較長，霧沫夾帶少。浮閥的開度隨著氣體流量的變化而變化，在氣體流量小時，開度較小，氣體仍能以足夠的氣速通過縫隙鼓泡，避免過多的泄漏；在氣體流量大時，閥片上浮，開度增大，使氣速不至于過大。有數據表明，浮閥塔在接近于閥全開時的操作狀態下傳質、傳熱效果最好。

浮閥塔有諸多優點：首先，它的處理能力大，浮閥在塔盤上可以布置得更加緊湊，其處理能力相對于泡罩塔可提高20％～40％；其次，由于浮閥可以隨著氣量的變化而升降，操作彈性較大；另外，由于氣體以水平方向吹入液層，汽液接觸狀況良好，塔板效率高。其缺點是處理易結焦、高黏度的流體時，閥片易與塔板黏結，在操作過程中有時會發生閥片脫落或卡死等現象，使塔板效率或操作彈性下降。

閥片的結構形式很多，國內常用的有F1型、V4型和T型等，其結構如圖3-4所示。

由于浮閥塔具有處理能力大，操作彈性大及塔板效率高等優點，有關浮閥塔板的研究是目前新型塔板研究與開發的主要方向。近年來開發的新型浮閥有導向篩孔浮閥、單側浮動整流浮閥、斜噴浮閥、船形浮閥、十字旋閥、方形浮閥、橢圓形浮閥、微分固定浮閥板等，它們顯著的優點是具有明顯的流體導向作用，使操作彈性與塔板效率得到更進一步的提高。

常用的三種塔的典型性能比較見表3-2中。

3.1.4　舌形塔及浮動舌形塔

舌形塔是噴射型塔，自20世紀60年代開始應用于工業生產，其結構如圖3-5所示。

它是在塔板上開有許多舌形孔，向塔板液流出口側張開。舌片與板片成一定角度，以20°左右為宜。舌片尺寸有50mm×50mm和25mm×25mm兩種。一般推薦使用25mm×25mm的舌片。舌孔呈正三角形排列。塔板液流出口側不留溢流堰，只保留降液管。要求降液管截面積設計得比一般的塔板大些，以便有效地將夾帶的液沫分離出來。

當操作氣速較低時，液體從舌孔直接漏下，隨著氣速的提高，液漏停止。當氣速升至20～30m/s時，汽液接觸從鼓泡狀態逐漸發展為噴射狀態。若氣速過高，可能造成液泛。

舌形塔的優點是生產能力大，塔板壓降低，傳質傳熱效率高；缺點是操作彈性小，被氣體噴射的液體在通過降液管時，會夾帶氣泡到下一層塔板，降低塔板效率。

浮動舌形塔與舌形塔相比，其舌片可上下浮動，它綜合了浮閥塔及固定舌形塔的結構特點，因此，既有舌形塔的大處理量、低壓降等優點，又有浮閥塔的操作彈性大、效率高等優點。特別適用于熱敏性物系的減壓分離過程。其結構如圖3-6所示。